一、我國(guó)電解鋁生產(chǎn)的指標(biāo)及原鋁生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)分析
近年來，我國(guó)電解鋁高速增長(zhǎng)，隨著技術(shù)及裝備水平的不斷提高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有所改善。但與世界先進(jìn)水平相比仍有較大差距，我國(guó)鋁電解電流效率低、電耗高，國(guó)內(nèi)自焙槽電流效率平均88%左右，噸鋁直流電耗14530kW·h左右；預(yù)焙槽平均電流效率91%～94%之間，噸鋁直流電耗在13320～13750kW·h之間。國(guó)外已全部淘汰自焙槽，而先進(jìn)預(yù)焙槽的電流效率一般不低于94%，噸鋁直流電耗為13000～13300kW·h。2000年至2002年我國(guó)電解鋁生產(chǎn)的主要指標(biāo)見表1。
表1 我國(guó)電解鋁廠的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
|
指 標(biāo)
|
產(chǎn)量/萬t
|
氧化鋁單耗/kg·t－1
|
陽極單耗/kg·t－1
|
氟鹽單耗/kg·t－1
|
綜合電耗/kg·t－1
|
直流電耗/kg·t－1
|
|
|
年 份
|
自焙陽極
|
預(yù)焙陽極
|
|||||
|
2000年
|
299
|
1944.83
|
528.96
|
42.74
|
15479.64
|
14214.07
|
|
|
2001年
|
357
|
1941.01
|
435.08
|
37.10
|
15470.33
|
14613.85
|
13734.93
|
|
2002年
|
451
|
1944.54
|
432.17
|
35.65
|
15361.96
|
14532.57
|
13781.63
|
從表1可以看出，2002相當(dāng)一批小型預(yù)焙槽電解鋁廠建成投產(chǎn)，由于裝備水平及技術(shù)掌握程度的影響，使技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有所降低。
鋁電解生產(chǎn)的成本大致分為原料費(fèi)、電費(fèi)、人力成本及間接成本，西方世界電解鋁的經(jīng)營(yíng)成為1134美元/t，其中原料費(fèi)占48.4%、能源費(fèi)占32.8%、人力成本10.9%、間接成本占7.9%。表2列出了國(guó)內(nèi)外原鋁經(jīng)營(yíng)成本的比較。表3列出了2003年不同國(guó)家鋁產(chǎn)品的成本。
表2 國(guó)內(nèi)外原鋁經(jīng)營(yíng)成本比較 （美元/t）
|
成本項(xiàng)目
|
世 界
|
中 國(guó)
|
成本項(xiàng)目
|
世 界
|
中 國(guó)
|
|
原材料
能源動(dòng)力
人力成本
|
385.6
260.8
204.1
|
650.5
487.1
26.7
|
間接成本
平均經(jīng)營(yíng)成本
|
283.5
1134.0
|
140.8
1305.1
|
表3 2003年部分國(guó)家鋁產(chǎn)品成本 （元/t）
|
國(guó) 家
|
鋁 成 本
|
國(guó)家
|
鋁 成 本
|
|
澳大利亞
巴 西
加拿大
法 國(guó)
德 國(guó)
中 國(guó)
|
8408
10168
8408
9191
11928
12000
|
挪 威
西班牙
英 國(guó)
美 國(guó)
委內(nèi)瑞拉
|
10364
12124
10560
11147
9979
|
由表2可見，我國(guó)的電解鋁生產(chǎn)的經(jīng)營(yíng)成本比國(guó)外高，其中原材料（主要是氧化鋁）、能源動(dòng)力的成本比國(guó)外高出許多，氧化鋁和電力成本為制約我國(guó)鋁工業(yè)發(fā)展的主要因素。
二、我國(guó)的電解鋁生產(chǎn)的發(fā)展方向
1997年我國(guó)的電解鋁產(chǎn)量207kt，占世界鋁錠總產(chǎn)量的9.5%。2003年596萬t，成為世界最大的電解鋁生產(chǎn)國(guó)。
1995～1998年間研究開發(fā)了280kA和320kA大型中間下料預(yù)焙電解槽，使我國(guó)鋁電解技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。大型電解槽的電流效率超過94%，原鋁直流電耗低于13300kW·h/t（鋁）。然而我國(guó)的電解鋁生產(chǎn)水平總體還不及世界先進(jìn)水平，在生產(chǎn)規(guī)模、自動(dòng)化程度、煙氣治理等方面較弱。
第一，降低原材料的損耗，提高原材料的質(zhì)量。
我國(guó)的電解鋁生產(chǎn)的氧化鋁單耗為1944kg，而理論消耗為1910kg。多余的消耗是運(yùn)輸、加工過程的飛揚(yáng)損失造成。提高機(jī)械化、自動(dòng)化和槽體密封可使氧化鋁的損失降低。對(duì)陽極炭素，理論需要393kg，實(shí)際消耗530kg，利用率為74%。主要是純度低，操作管理不善造成氧化、漏糊及槽子早期破損。我國(guó)研究的陽極添加鉀鹽可以降低陽極糊的消耗量。采用低溫電解也是降低陽極消耗的途徑。采用惰性陰陽極是降低成本的可能途徑。
大型預(yù)焙電解槽的氟化鹽、冰晶石、添加劑等原材料的利用率已經(jīng)很高，但自焙槽的煙氣很難收集，損失較大，還需進(jìn)一步完善。
第二，降低電耗。
如前所述，對(duì)于鋁電解來說，電的利用率很低，僅為50%，而且電耗占鋁電解成本的很大部分，要降低成本，就是降低鋁電解的電耗。電流效率、槽電壓直接影響著鋁電解的電能消耗。要降低鋁電解的電能消耗，就要提高電流效率、降低槽電壓。
提高電流效率的主要途徑之一是降低電解溫度，降低溫度的最有效的方法是選擇適合的電解質(zhì)添加劑，即找一個(gè)初晶溫度低、又適合電解的電解質(zhì)組成。添加鋰鹽（LiF）可以顯著降低電解的初晶溫度，如含LiF1.5%、AlF3為6%的電解質(zhì)，可使每噸鋁的電耗降低1260kW·h。我國(guó)在許多鋁廠進(jìn)行了添加鋰鹽的工業(yè)試驗(yàn)，電流效率可提高一個(gè)百分點(diǎn)以上，獲得較好的節(jié)能效果。邱竹賢等人根據(jù)試驗(yàn)提出了低摩爾比添加MgF2系電解質(zhì)，即摩爾比2.2，MgF2在10%以內(nèi)，工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果電流效率為91.2%，每噸鋁直流電耗降低至13400kW·h。因?yàn)椴捎眠@種電解質(zhì)可實(shí)現(xiàn)在850 kW·h下電解。
提高電流效率的另外途徑是合理配置母線。對(duì)大型槽來說，鋁液中水平電流（包括橫向和縱向）的電度分量和磁場(chǎng)的垂直分量應(yīng)予以消除升減弱。大型槽的磁場(chǎng)問題近來受到廣泛的重視，隨著研究的不斷深入，電解槽的母線配置日益完善，在一定程度上削弱了磁場(chǎng)的影響。我國(guó)貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)院研究設(shè)計(jì)的中間點(diǎn)式一料、四端進(jìn)電大型預(yù)焙槽在廣西平果鋁業(yè)公司應(yīng)用，獲得全年全廠電流效率為91.11%的好水平?，F(xiàn)在許多大鋁廠都在研制320kA中間點(diǎn)式下料、六端進(jìn)電大型預(yù)焙槽以提高電流效率。
提高電流效率更為有效的方法是徹底改變鋁電解槽的結(jié)構(gòu)。這方面的研究很多，最有吸引力的是惰性陽極、惰性陰極和側(cè)壁形式的電解槽。1986年美國(guó)鋁業(yè)公司提出了一種新型電解槽，采用惰性雙極性電極來改造現(xiàn)行槽，即將陰極和陽極通過一個(gè)定位夾組合成一個(gè)整體，構(gòu)成雙極性陰陽極組合件，懸掛在電解質(zhì)和熔融鋁內(nèi)。這樣現(xiàn)行電解槽僅成了一個(gè)容器，金屬鋁液的波動(dòng)對(duì)其無關(guān)緊要，鋁電解的電流效率提高到93%，電能效率提高到70%。
降低槽電壓首先要提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率。鋁電解質(zhì)的導(dǎo)電率低，又要保持一定的極距，電解質(zhì)的電壓降就占槽電壓的30%～40%。在一定范圍內(nèi)添加鋰鹽、NaCl都能顯著提高熔體的導(dǎo)電率，添加MgF2雖不能直接提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率，但可凈化電解質(zhì)中炭渣，使電解的反電勢(shì)降低。另外合理的加工制度對(duì)減少電解質(zhì)中懸浮氧化鋁、減少槽底沉淀、提高電解質(zhì)導(dǎo)電率是有利的。對(duì)于我國(guó)的側(cè)插自焙電解槽，“勤加工、少下料、加工快、實(shí)壓殼”對(duì)提高電解質(zhì)導(dǎo)電率至關(guān)重要。其次要降低陽極過電壓。陽極過電壓占反電動(dòng)勢(shì)1.65V的1/3。陽極過電壓隨著陽極電流密度的降低而降低，隨著溶解Al2O3的增加而降低。陽極摻雜可以產(chǎn)生陽極催化，使陽極過電壓降低。加Li2CO3的效果可使陽極過電壓降低200mV。另外降低母線電流密度，降低母線接觸壓降，也都是降低槽電壓的措施。
第三，加強(qiáng)生產(chǎn)管理，延長(zhǎng)電解槽的有效生產(chǎn)時(shí)間
電解槽因內(nèi)襯破損而停槽大修所耗費(fèi)用高在新建槽的1/3。延長(zhǎng)槽的有效生產(chǎn)時(shí)間，可以降低成本。目前世界上大型預(yù)焙電解槽的平均壽命為1800天，我國(guó)大型預(yù)焙電解槽的平均壽命為1300天，有待于提高。主要應(yīng)重視兩方面：提高炭素質(zhì)量，采用純度高、石墨化程度高的陰極，電解槽的壽命可延長(zhǎng)至2000天以上；加強(qiáng)管理，完善各項(xiàng)操作技術(shù)條件，保證正常生產(chǎn)，消除病槽的壽命是延長(zhǎng)電解槽壽命的重要措施。
第四，按大型、高效、聯(lián)合的原則建設(shè)新廠和改造舊廠
20世紀(jì)80年代以來，鋁工業(yè)出現(xiàn)了電解槽大型化、高效、聯(lián)合的趨勢(shì)。在工藝條件上采用低摩爾比（2.2）、低濃度（Al2O3濃度1.5%～3%）、低溫（940℃）；用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)電解槽，采用電子計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程，大大提高了電流效率、降低了成本。通過計(jì)算表明大型槽的投資費(fèi)用和生產(chǎn)成本是隨著鋁廠規(guī)模的增大而降低的。從年產(chǎn)10萬t的規(guī)模起，年產(chǎn)12.5萬t的單位投資要低10%、成本降低5%。建立聯(lián)合企業(yè)，原鋁生產(chǎn)、加工一條龍，比原鋁輸出的經(jīng)濟(jì)效益大得多。
我國(guó)中小鋁廠有60多家。這些鋁廠均采用側(cè)插自焙槽，容量60kA者居多，約有3000臺(tái)，產(chǎn)量占我國(guó)鋁總產(chǎn)量的40%以上，可謂我國(guó)電解鋁工業(yè)的重要組成部分。這種槽有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)豐富、基建投資省、上馬快等特點(diǎn)，適宜于電力分散、資金分散的地區(qū)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)。這種槽存在的缺點(diǎn)是煙氣凈化難、裝備水平低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低、電耗高。多年來一直想解決機(jī)械化問題，未能獲滿意效果。隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)、電費(fèi)的漲價(jià)和原材料的漲價(jià)，
這些鋁研制的出路就在于技術(shù)改造，提高裝備水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。改造的途徑有以下幾種。
首先要進(jìn)行自焙槽的完善。采用集氣效率較高的吊門式密封裝置（集氣率90%～92%），淘汰卷簾式密封（集氣率75%～78%），提高電解槽的密封性，提高集氣效率。采用半自動(dòng)打殼下料，取代適合的型號(hào)的風(fēng)機(jī)。60kA自焙電解槽在采用半自動(dòng)打殼下料和密封良好時(shí)的單槽排煙量可降低至4500m3/h以下。采用計(jì)算機(jī)控制電解槽系列，提高產(chǎn)能、降低消耗和穩(wěn)定槽系列。
其次在側(cè)插槽上全面推行高溫瀝青干糊技術(shù)。我國(guó)每年陽極糊產(chǎn)量為38萬t，多數(shù)為中溫瀝青稀糊，在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的焦油和大量的煙氣。高溫瀝青干糊的粗骨料綜合含量為70%，生糊瀝青含量低于26%，熔化溫度約為120℃，性能良好。為了生產(chǎn)這種糊，現(xiàn)有設(shè)備必須作如下調(diào)整：改蒸汽加熱為電加熱，增加篩分，改配料系統(tǒng)為連續(xù)自動(dòng)。采用了高溫瀝青干糊就可以全面推行干法凈化技術(shù)。
然而最根本地必變自焙槽的出路還是按大型、高效、聯(lián)合的原則改造舊廠。云南鋁業(yè)股份公司將60kA自焙電解系統(tǒng)徹底改擴(kuò)為186kA預(yù)焙電解系統(tǒng)，一期工程60臺(tái)新槽于1998年10月順利投產(chǎn)。二期工程開發(fā)300kA預(yù)焙槽，于2004年9月全面投入生產(chǎn)運(yùn)行，形成30萬t/a的生產(chǎn)能力，與其配套的產(chǎn)能的炭素工程也將如期投產(chǎn)。直流電耗降低至13200kW·h/t（鋁），成為全國(guó)效率最佳的鋁企業(yè)之一。
